Hélium : propriétés, caractéristiques, applications

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-02 17:46

L'hélium est un gaz inerte du 18ème groupe du tableau périodique. C'est le deuxième élément le plus léger après l'hydrogène. L'hélium est un gaz incolore, inodore et insipide qui devient liquide à -268,9 °C. Ses points d'ébullition et de congélation sont inférieurs à ceux de toute autre substance connue. C'est le seul élément qui ne se solidifie pas lorsqu'il est refroidi à la pression atmosphérique normale. Il faut 25 atmosphères à 1 K pour que l'hélium se solidifie.

Historique des découvertes

L'hélium a été découvert dans l'atmosphère gazeuse entourant le Soleil par l'astronome français Pierre Jansen, qui en 1868 lors d'une éclipse a découvert une ligne jaune vif dans le spectre de la chromosphère solaire. On pensait à l'origine que cette ligne représentait l'élément sodium. La même année, l'astronome anglais Joseph Norman Lockyer a observé une raie jaune dans le spectre solaire qui ne correspondait pas aux raies connues du sodium D₁ et D₂, et il a donc nommé sa ligne D_{3. Lockyer a conclu qu'il était causé par une substance dans le Soleil inconnue sur Terre. Lui et le chimiste Edward Frankland ont utilisé le nom de l'élémentle nom grec du Soleil est Helios.}

En 1895, le chimiste britannique Sir William Ramsay a prouvé l'existence de l'hélium sur Terre. Il a obtenu un échantillon de la clévéite minérale contenant de l'uranium, et après avoir examiné les gaz formés lorsqu'il a été chauffé, il a constaté que la ligne jaune vif dans le spectre coïncidait avec la ligne D_{3 observée dans le spectre du Soleil. Ainsi, le nouvel élément a finalement été installé. En 1903, Ramsay et Frederick Soddu ont déterminé que l'hélium est un produit de désintégration spontanée de substances radioactives.}

Propagation dans la nature

La masse de l'hélium est d'environ 23 % de la masse totale de l'univers, et l'élément est le deuxième plus abondant dans l'espace. Il est concentré dans les étoiles, où il se forme à partir d'hydrogène à la suite de la fusion thermonucléaire. Bien que l'hélium se trouve dans l'atmosphère terrestre à une concentration de 1 partie pour 200 000 (5 ppm) et se trouve en petites quantités dans les minéraux radioactifs, le fer de météorite et les sources minérales, de grandes quantités de l'élément se trouvent aux États-Unis (notamment au Texas, à New York), au Mexique, au Kansas, en Oklahoma, en Arizona et en Utah) en tant que composant (jusqu'à 7,6 %) du gaz naturel. De petites réserves ont été découvertes en Australie, en Algérie, en Pologne, au Qatar et en Russie. Dans la croûte terrestre, la concentration d'hélium n'est que d'environ 8 ppb.

Isotopes

Le noyau de chaque atome d'hélium contient deux protons, mais comme les autres éléments, il possède des isotopes. Ils contiennent de un à six neutrons, leur nombre de masse varie donc de trois à huit. Les éléments stables sont les éléments dont la masse d'hélium est déterminée par les numéros atomiques 3 (³He) et 4 (⁴He). Tout le reste est radioactif et se désintègre très rapidement en d'autres substances. L'hélium terrestre n'est pas le composant d'origine de la planète, il s'est formé à la suite d'une désintégration radioactive. Les particules alpha émises par les noyaux des substances radioactives lourdes sont des noyaux de l'isotope ⁴He. L'hélium ne s'accumule pas en grande quantité dans l'atmosphère car la gravité terrestre n'est pas assez forte pour l'empêcher de s'échapper progressivement dans l'espace. Les traces de ³He sur Terre s'expliquent par la désintégration bêta négative de l'élément rare hydrogène-3 (tritium). ⁴He est le plus abondant des isotopes stables: le rapport de ⁴atomes He à ^{3He est d'environ 700 000 pour 1 dans l'atmosphère et d'environ 7 millions pour 1 dans certains minéraux contenant de l'hélium.}

Propriétés physiques de l'hélium

Les points d'ébullition et de fusion de cet élément sont les plus bas. Pour cette raison, l'hélium existe sous forme de gaz, sauf dans des conditions extrêmes. Gazeux Il se dissout moins dans l'eau que tout autre gaz, et le taux de diffusion à travers les solides est trois fois supérieur à celui de l'air. Son indice de réfraction se rapproche le plus de 1.

La conductivité thermique de l'hélium est juste derrière celle de l'hydrogène, et sa capacité thermique spécifique est exceptionnellement élevée. Aux températures ordinaires, il s'échauffe pendant la détente et se refroidit en dessous de 40 K. Par conséquent, à T<40 K, l'hélium peut être converti enliquide par expansion.

Un élément est un diélectrique s'il n'est pas dans un état ionisé. Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester ionisé dans une décharge électrique lorsque la tension reste inférieure au potentiel d'ionisation.

Helium-4 est unique en ce qu'il a deux formes liquides. L'ordinaire est appelé hélium I et existe à des températures allant d'un point d'ébullition de 4,21 K (-268,9 ° C) à environ 2,18 K (-271 ° C). En dessous de 2,18 K, la conductivité thermique de 4He devient 1000 fois celle du cuivre. Cette forme est appelée hélium II pour la distinguer de la forme normale. Il est superfluide: la viscosité est si faible qu'elle ne peut pas être mesurée. L'hélium II se répand en un film mince à la surface de tout ce qu'il touche, et ce film s'écoule sans frottement même contre la gravité.

L'hélium-3, moins abondant, forme trois phases liquides distinctes, dont deux sont superfluides. Superfluidité dans ⁴Il a été découvert par le physicien soviétique Pyotr Leonidovich Kapitsa au milieu des années 1930, et le même phénomène dans ^{3Il a été remarqué pour la première fois par Douglas D Osherov, David M. Lee et Robert S. Richardson des États-Unis en 1972.}

Un mélange liquide de deux isotopes d'hélium-3 et -4 à des températures inférieures à 0,8 K (-272,4 °C) est divisé en deux couches - presque pures ³He et un mélange de⁴He avec 6% d'hélium-3. La dissolution de ³He en ^{4He s'accompagne d'un effet de refroidissement, qui est utilisé dans la conception des cryostats, dans lesquels la température de l'hélium chuteinférieure à 0,01 K (-273,14 °C) et maintenue à cette température pendant plusieurs jours.}

Connexions

Dans des conditions normales, l'hélium est chimiquement inerte. Dans des conditions extrêmes, vous pouvez créer des connexions d'éléments qui ne sont pas stables à des températures et pressions normales. Par exemple, l'hélium peut former des composés avec l'iode, le tungstène, le fluor, le phosphore et le soufre lorsqu'il est soumis à une décharge électrique luminescente lorsqu'il est bombardé d'électrons ou à l'état de plasma. Ainsi, HeNe, HgHe₁₀, WHe₂ et He₂ ont été créés+^{, Non}2++^{, HeH}+ ^{et HeD+}. Cette technique a également permis d'obtenir des molécules neutres He² et HgHe.

Plasma

Dans l'Univers, l'hélium ionisé est principalement distribué, dont les propriétés diffèrent considérablement de la moléculaire. Ses électrons et protons ne sont pas liés et il a une conductivité électrique très élevée même à l'état partiellement ionisé. Les particules chargées sont fortement affectées par les champs magnétiques et électriques. Par exemple, dans le vent solaire, les ions d'hélium, ainsi que l'hydrogène ionisé, interagissent avec la magnétosphère terrestre, provoquant les aurores.

Découverte des États-Unis

Après avoir foré un puits en 1903, du gaz ininflammable a été obtenu à Dexter, Kansas. Initialement, on ne savait pas qu'il contenait de l'hélium. Le gaz trouvé a été déterminé par le géologue d'État Erasmus Haworth, quirecueilli des échantillons de celui-ci et à l'Université du Kansas avec l'aide des chimistes Cady Hamilton et David McFarland a découvert qu'il contient 72% d'azote, 15% de méthane, 1% d'hydrogène et 12% n'a pas été identifié. Après une analyse plus approfondie, les scientifiques ont découvert que 1,84% de l'échantillon était de l'hélium. Ils ont donc appris que cet élément chimique est présent en quantité énorme dans les entrailles des Grandes Plaines, d'où il peut être extrait du gaz naturel.

Production industrielle

Cela a fait des États-Unis le leader mondial de la production d'hélium. À la suggestion de Sir Richard Threlfall, la marine américaine a financé trois petites usines expérimentales pour produire cette substance pendant la Première Guerre mondiale afin de fournir aux ballons de barrage un gaz de levage léger et ininflammable. Le programme a produit un total de 5 700 m3 92 % He, bien que moins de 100 litres de gaz aient été produits auparavant. Une partie de ce volume a été utilisée dans le premier dirigeable à hélium au monde, l'US Navy C-7, qui a effectué son voyage inaugural de Hampton Roads, en Virginie, à Bolling Field, à Washington, DC le 7 décembre 1921.

Bien que le processus de liquéfaction du gaz à basse température n'ait pas été suffisamment avancé à l'époque pour être significatif pendant la Première Guerre mondiale, la production s'est poursuivie. L'hélium était principalement utilisé comme gaz de levage dans les avions. La demande a augmenté pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsqu'elle a été utilisée dans le soudage à l'arc sous protection. L'élément était également important dans le projet de bombe atomique. Manhattan.

Stock national américain

En 1925, le gouvernement des États-Unis a créé la réserve nationale d'hélium à Amarillo, au Texas, dans le but de fournir des dirigeables militaires en temps de guerre et des dirigeables commerciaux en temps de paix. L'utilisation du gaz a diminué après la Seconde Guerre mondiale, mais l'offre a été augmentée dans les années 1950 pour assurer, entre autres, son approvisionnement en tant que liquide de refroidissement utilisé dans la production de carburant de fusée oxhydrique pendant la course à l'espace et la guerre froide. L'utilisation d'hélium aux États-Unis en 1965 était huit fois supérieure à sa consommation maximale en temps de guerre.

Suite à la loi sur l'hélium de 1960, le Bureau des mines a engagé 5 sociétés privées pour extraire l'élément du gaz naturel. Pour ce programme, un gazoduc de 425 kilomètres a été construit reliant ces usines à un gisement de gaz gouvernemental partiellement épuisé près d'Amarillo, au Texas. Le mélange hélium-azote a été pompé dans une installation de stockage souterraine et y est resté jusqu'à ce qu'il soit nécessaire.

En 1995, un milliard de mètres cubes de stock avait été collecté et la Réserve nationale était endettée de 1,4 milliard de dollars, ce qui a incité le Congrès américain à l'éliminer progressivement en 1996. Après l'adoption de la loi sur la privatisation de l'hélium en 1996, le ministère des Ressources naturelles a commencé à liquider l'installation de stockage en 2005.

Pureté et volumes de production

L'hélium produit avant 1945 avait une pureté d'environ 98 %, le reste de 2 %représentait l'azote, ce qui était suffisant pour les dirigeables. En 1945, une petite quantité de gaz à 99,9 % a été produite pour être utilisée dans le soudage à l'arc. En 1949, la pureté de l'élément résultant avait atteint 99,995 %.

Pendant de nombreuses années, les États-Unis ont produit plus de 90 % de l'hélium commercial mondial. Depuis 2004, elle produit annuellement 140 millions de m3, dont 85 % proviennent des États-Unis, 10 % d'Algérie et le reste de Russie et de Pologne. Les principales sources d'hélium dans le monde sont les gisements de gaz du Texas, de l'Oklahoma et du Kansas.

Processus de réception

L'hélium (98,2 % de pureté) est extrait du gaz naturel en liquéfiant d'autres composants à basse température et à haute pression. L'adsorption d'autres gaz par le charbon actif refroidi atteint une pureté de 99,995 %. Une petite quantité d'hélium est produite en liquéfiant l'air à grande échelle. Environ 3,17 mètres cubes peuvent être obtenus à partir de 900 tonnes d'air. m de gaz.

Domaines d'application

Le gaz noble a été utilisé dans divers domaines.

L'hélium, dont les propriétés permettent d'obtenir des températures ultra-basses, est utilisé comme agent de refroidissement dans le Grand collisionneur de hadrons, comme aimants supraconducteurs dans les appareils d'IRM et les spectromètres à résonance magnétique nucléaire, les équipements satellitaires, ainsi que pour la liquéfaction de l'oxygène et de l'hydrogène dans les fusées Apollo.
Comme gaz inerte pour le soudage de l'aluminium et d'autres métaux, dans la production de fibres optiques et de semi-conducteurs.
Créerpression dans les réservoirs de carburant des moteurs-fusées, en particulier ceux qui fonctionnent à l'hydrogène liquide, car seul l'hélium gazeux conserve son état d'agrégation lorsque l'hydrogène reste liquide);
Les lasers à gaz He-Ne sont utilisés pour scanner les codes-barres aux caisses des supermarchés.
Le microscope à hélium ionique produit de meilleures images que le microscope électronique.
En raison de sa grande perméabilité, le gaz rare est utilisé pour vérifier les fuites, par exemple, dans les systèmes de climatisation des voitures et pour gonfler rapidement les airbags en cas d'accident.
La faible densité vous permet de remplir des ballons décoratifs avec de l'hélium. Le gaz inerte a remplacé l'hydrogène explosif dans les dirigeables et les ballons. Par exemple, en météorologie, des ballons à hélium sont utilisés pour soulever des instruments de mesure.
En technologie cryogénique, il sert de fluide caloporteur, puisque la température de cet élément chimique à l'état liquide est la plus basse possible.
L'hélium, dont les propriétés lui confèrent une faible réactivité et solubilité dans l'eau (et le sang), mélangé à de l'oxygène, a trouvé une application dans les compositions respiratoires pour la plongée sous-marine et le travail en caisson.
Les météorites et les roches sont analysées pour cet élément afin de déterminer leur âge.